變頻調速系統的發展現狀與前景展望論文
摘要：詳細介紹了目前變頻調速領域研究的熱點問題，分析了最新技術發展對變頻調速系統產業化所帶來的影響，並對變頻調速系統的發展前景進行了預測。
關鍵詞：變頻調速系統 PWM 數字控制
1 前言
當前全球經濟發展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環境。能源的緊張不僅制約了相當多發展中國家的經濟增長，也為許多發達國家帶來了相當大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關注的熱點地區。而能源的開發與利用又對環境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環境災難都與能源的開發與利用有關。
能源工業作為國民經濟的基礎，對於社會、經濟的發展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經濟環境下，中國能源工業面臨經濟增長與環境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，中國能源利用效率比發達國家低很多。90年代中國高耗能產品的耗能量一般比發達國家高12%-55%左右，90%以上的能源在開採、加工轉換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標準煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、義大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標準煤/kWh，是國際先進水平的1.27倍。
由此可見，對能源的有效利用在我國已經非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約佔工業耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型非同步電動機。我國在用電機拖動系統的總體裝備水平僅相當於發達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統節能方面的投入將高達500億元左右，所以變頻調速系統在我國將有非常巨大的市場需求。
目前，國內變頻調速系統的研究非常活躍，但是在產業化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所佔據。因此，為了加快國內變頻調速系統的發展，就需要對國際變頻調速技術的發展趨勢和國內的市場需求有一個全面的瞭解。
2 全數字化控制系統
隨著計算機技術的發展，無論是生產還是生活當中，人民對數字化資訊的依賴程度越來越高。如果說計算機是大腦，網路是神經，那麼電機傳動系統就是骨骼和肌肉。它們之間的.完美結合才是現代產業發展方向。為了使交流調速系統與資訊系統緊密結合，同時也為了提高交流調速系統自身的效能，必須使交流調速系統實現全數字化控制。
微控制器已經在交流調速系統中得到了廣泛地應用。例如由Intel公司1983年開發生產的MCS - 96系列是目前效能較高的微控制器系列之一，適用於高速、高精度的工業控制。其高檔型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用開環交流調速系統中的應用較多。
由於交流電機控制理論不斷髮展，控制策略和控制演算法也日益複雜。擴充套件卡爾曼濾波、FFT、狀態觀測器、自適應控制、人工神經網路等等均應用到了各種交流電機的向量控制或直接轉矩控制當中。因此，DSP晶片在全數字化的高效能交流調速系統中找到施展身手的舞臺。如TI公司的MCS320F240等DSP晶片，以其較高的效能價格比成為了全數字化交流調速系統的首選。最近TI公司推出的MCS320F240X系列產品更將價格降低到了微控制器的水平。
在交流調速的全數字化的過程當中，各種匯流排也扮演了相當重要的角色。STD匯流排、工業PC匯流排、現場匯流排以及CAN匯流排等在交流調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用。
3 PWM技術
PWM控制是交流調速系統的控制核心，任何控制演算法的最終實現幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經提出並得到實際應用的PWM控制方案就不下十幾種，關於PWM控制技術的文章在很多著名的電力電力國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應用於PWM技術並使之數字化以後，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優，轉矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術的發展經歷了一個不斷創新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術的研究方興未艾。
其中，空間向量PWM技術以其電壓利用率高、控制演算法簡單、電流諧波小等特點在交流調速系統中得到了越來越多的應用。
4 高壓大容量交流調速系統
在小功率交流調速方面，由於國外產品的規模效應，使得國內廠家在價格上、工藝上和技術上均無法與之抗衡。而在高壓大功率方面，國外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國外的電網電壓等級一般為3000V，而我國的電網電壓等級為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調速系統無法進行大規模的批次生產，而國外的勞動力成本，特別是具有一定專業知識的勞動力成本較高。
目前，研究較多的大功率逆變電路有：
（1）多電平電壓型逆變器
（2）變壓器耦合的多脈衝逆變器
（3）交交變頻器
（4）雙饋交流變頻調速系統。
（1）多電平電壓型逆變器
日本長岡科技大學的A.Nabae等人於1980年在IAS年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式（Neutral Point Clamped）逆變器。它的出現為高壓大容量電壓型逆變器的研製開闢了一條新思路。
多電平電壓型逆變器與普通雙電平逆變器相比具有以下優點：
1. 更適合大容量、高電壓的場合。
2.可產生M層梯形輸出電壓，對階梯波再作調製可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數可接近純正弦波型、諧波含量很小。
3.電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因為開關元件一次動作的dv/dt通常只有傳統雙電平的1/（M-1）。
4. 效率高，消除同樣諧波，雙電平採用PWM控制法開關頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作、開關頻率低、損耗小，效率提高。
（2）變壓器耦合的多脈衝逆變器
變壓器耦合的多脈衝逆變器的三電平電路中，要獲得更多電平只須將每相所串聯的單元逆變橋數目同等增加即可。其優點為：
1. 不存在電壓均衡問題。無需箝位二極體或電容，適於調速控制；
2. 模組化程度好，維修方便；
3. 對相同電平數而言，所需器件數目最少；
4. 無箝位二極體或電容的限制，可實現更多電平，上更高電壓，實現更低諧波；
5. 控制方法相對簡單，可分別對每一級進行PWM控制，然後進行波形重組。
當然，這種結構的不足之處在於需要很多隔離的直流電源，應用受到一定限制。
（3）交交變頻器
交交變頻器採用閘流體作為主功率器件，在軋機和礦井捲揚機傳動方面有很大的需求。閘流體的最大優點就是開關功率大（可達5000V/5000A），適合於大容量交流電機調速系統。同時，大功率閘流體的生產和技術功能技術相當成熟，透過與現代交流電機控制理論的數字化結合，將具有較強的競爭力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點：調速範圍小，當電源為50Hz時，最大輸出頻率不超過20Hz；另一方面，功率因數低、諧波汙染大，因此需要同時進行無功補償和諧波治理。
（4）雙饋交流變頻調速系統
雙饋交流變頻調速系統的變頻器功率小、功率因數可調、系統可靠性較高，因此近來受到了許多研究人員的重視。由於變頻器的功率只佔電機容量的25%，因此可以大大降低系統的成本。但是，雙饋交流變頻調速系統中的電機需要專門設計，不能使用普通的非同步電機；而且受變頻器容量和調速範圍的限制，不具備軟起動的能力。
5 高效能交流調速系統
V/f恆定、速度開環控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環控制系統，基本上解決了非同步電機平滑調速的問題。然而，當生產機械對調速系統的動靜態效能提出更高要求時，上述系統還是比直流調速系統略遜一籌。原因在於，其系統控制的規律是從非同步電機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推匯出穩態值控制，完全不考慮過渡過程，系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態響應等方面的效能尚不能令人滿意。
考慮到非同步電機是一個多變數、強耦合、非線性的時變引數系統，很難直接透過外加訊號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間向量為參考座標，利用從靜止座標系到旋轉座標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣，透過座標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制即向量控制。
和向量控制不同，直接轉矩控制屏棄瞭解耦的思想，取消了旋轉座標變換，簡單地透過檢測電機定子電壓和電流，藉助瞬時空間向量理論計算電機的磁鏈和轉矩，並根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。
儘管向量控制與直接轉矩控制使交流調速系統的效能有了較大的提高，但是還有許多領域有待研究：
（1）磁通的準確估計或觀測
（2）無速度感測器的控制方法
（3）電機引數的線上辨識
（4）極低轉速包括零速下的電機控制
（5）電壓重構與死區補償策略
（6）多電平逆變器的高效能控制策略
6 展望
在交流調速的研究與製造過程中，硬體的設計與組裝佔了相當大的比重。電機制造以及調速裝置的製造需要大批的技術熟練工人，對人員的素質有一定要求。而國外相關產業的人工成本相對較高，在近十年內，交流調速的製造業有可能向發展中國家轉移。對中國來說，這也是一個機遇，如果我們抓住這個機會，再利用本身的市場有利條件，有可能在我國形成交流調速系統的製造業中心，使我國工業上一個新的臺階。需要注意的是發達國家在高技術領域是不會輕易放棄的，他們非常注意核心技術及軟體的保護和保密，為此，必須加大該領域的科研與開發的力度。